Zeitung Heute : Die Mischung macht’s

Fundamente von Ostsee-Windparks beeinflussen den Salzwasserstrom

P. Menzel[A. Leder] H. Burchard

Die Ostsee ist eines der größten Brackwassermeere der Erde. Sie ist über die Darßer Schwelle und die Drogden-Schwelle bei Kopenhagen sowie das Kattegatt mit den Weltozeanen verbunden. Nur durch diese sehr engen und flachen Gebiete kann sie mit Sauerstoff und Salz aus der Nordsee versorgt und somit das bestehende Ökosystem aufrechterhalten werden. Der Einstrom von Nordseewasser in die Ostsee tritt unregelmäßig und nur bei bestimmten Wetterlagen auf (etwa alle sechs bis acht Wochen).

Im Februar 2004 gelangen am Leibniz-Institut für Ostseeforschung in Warnemünde (IOW) erstmals detaillierte Messungen während eines mittelstarken Salzwassereinbruchs in die Ostsee. Die Messdaten im Bereich der Arkonasee zeigen, wie das salz- und sauerstoffhaltigere Nordseewasser am Boden der Ostsee entlangströmt. Neben der Geschwindigkeit und dem Salzgehalt wurden auch turbulente Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Aufgrund dieser Messungen sowie numerischer Modelle konnte die natürliche turbulente Einmischung salzärmeren Oberflächenwassers in das dichte Bodenwasser gemessen werden. Einströme in die Ostsee können über das Bornholm-Becken bis hinab in die tiefe Gotlandsee propagieren, wo sie von Sauerstoffzehrung beeinträchtigtes Tiefenwasser erneuern und somit die Freisetzung von hohen Phosphatmengen aus dem Sediment zwischenzeitlich stoppen. Je stärker die Verdünnung des einströmenden Wassers mit Oberflächenwasser ist, desto weniger weit und tief können die Einströme in die Ostsee vordringen. Die turbulente Vermischung im Einstrombereich ist daher für die Ökologie der tiefen Becken von großer Bedeutung. Mithilfe des numerischen Ostseemodells GETM (General Estuarine Transport Model) des IOW gelingt es, diese Einstromereignisse zu simulieren. So sind auch detailliertere Untersuchungen zum Verlauf der Strömung möglich. Die von Forschungsschiffen aus gewonnenen Daten lassen sich zur Überprüfung des Modells verwenden.

Doch diese für das Ökosystem Ostsee kritischen Vermischungsprozesse könnten unter Umständen durch bauliche Eingriffe verstärkt werden. Offshore-Windparks mit bis zu 200 Windenergieanlagen (WEA) und einer Gesamtleistung von einem Gigawatt sind im Bereich der Arkonasee geplant und zum Teil bereits genehmigt. Um den Einfluss der Fundamente solcher Offshore-WEA zu untersuchen und somit eine Grundlage für weitere Genehmigungsverfahren zu schaffen, wurde das Projekt QuantAS-Off formuliert (Quantification of Water Mass Transformations in the Arkona Sea: Impact of Offshore Wind Farms). Dieses Vorhaben wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert. Die Aufgaben des IOW umfassen neben der Durchführung weiterer Messungen in der Ostsee insbesondere die detaillierte Modellierung des Einstroms unter Einfluss von Offshore-Windparks.

Neben dem IOW ist der Lehrstuhl Strömungsmechanik der Universität Rostock an diesen Untersuchungen beteiligt. Die Strömungsmechaniker der Universität führen Laborexperimente durch. Auch die Ergebnisse der Laborexperimente sollen dazu beitragen, die numerischen Modellierungen zu verbessern. In einem Modellkanal, der die realen Vorgänge im Maßstab 1:100 abbildet, wird der Einstrom salzreichen Wassers unterhalb einer ruhenden Frischwasserschicht experimentell untersucht. Der dem Salzwasser beigefügte fluoreszierende Farbstoff gibt Aufschluss über die lokale Verteilung der Salzkonzentration. Diese Messungen liefern detaillierte Informationen zur Strömungsgeschwindigkeit, zum Salzgehalt sowie zu den turbulenten Schwankungen im Nachlauf des Fundamentmodells.

Erste Ergebnisse der Laborexperimente ermöglichen eine Abschätzung des Einflusses von Offshore-WEA-Fundamenten unter den gewählten Bedingungen. Klar ist, dass Auswirkungen auf die Mischung der am Ostseegrund strömenden Salzwasserschicht nachweisbar sind. Der Einfluss des Fundaments auf die Mischung ist lokal begrenzt und liegt in der Größenordnung der natürlich auftretenden Mischung. Wegen der Unumkehrbarkeit turbulenter Vermischung können diese lokalen Prozesse jedoch weitreichende Auswirkungen haben. Mithilfe von Computersimulationen wird zu zeigen sein, an welchen Standorten wie viele Windkraftanlagen tolerierbar sind, ohne das Ökosystem der Ostsee spürbar zu beeinträchtigen.

Die Autoren: Alfred Leder ist der Leiter des Lehrstuhls Strömungsmechanik an der Fakultät Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock. Peter Menzel ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl. Hans Burchard ist Leiter des Projektes QuantAS-Off am Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde.

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